分享：大口径厚壁１２Cr１MoVG钢制高压锅炉管 硬度偏高原因分析及热处理工艺优化
摘 要:某大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢制高压锅炉管硬度偏高,采用硬度测试、力学性能试验、 金相检验等方法对硬度偏高问题进行了分析.结果表明:热处理后的钢管组织不均匀,导致钢管的 力学性能不均匀,部分区域硬度不符合设计要求.根据电站机组特点,设计了正火后旋转内淋外喷 冷却、正火后直接水冷和正火后“预冷＋水冷＋空冷”３种热处理工艺方案,最终通过选用“预冷＋ 水冷＋空冷”工艺,将回火温度和预冷时间控制在合理范围,使钢管硬度符合设计要求.
关键词:大口径厚壁钢管;高压锅炉;热处理;硬度
中图分类号:TM６２１．２ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１１Ｇ０７４８Ｇ０５
１２Cr１MoVG 钢是一种低合金耐热钢,具有较 高的持久强度和持久塑性、良好的抗氧化性能且无 热脆倾向,主要用于制造电站锅炉过热器、集箱及锅 炉主蒸汽管道部件等[１].电站锅炉及管道大部分处 于高温高压等恶劣环境中,对其所用钢材的力学性 能、显微组织、晶粒尺寸等要求较高.１２Cr１MoVG 钢在高压锅炉和超高压锅炉管中用量较大,分别占 到全部合金钢管的８０％和３０％ [２].
某多规格大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢制高压锅 炉管(外径大于３８０mm,壁厚不小于７０mm)的表 面 硬 度 和 内 部 硬 度 的 设 计 要 求 均 为 １４５ ~ １９０HBW,在生产过程中,连续出现多批次钢管硬 度偏高的情况.笔者对出现问题的一批钢管进行系 统分析,并根据电站机组特点,设计了３种不同的热 处理工艺,通过试验在不同的热处理工艺下分别取 样分析,找出合理的硬度控制工艺方案,使钢管硬度 符合设计要求.
１ 理化检验
１．１ 硬度测试
采用 King３０００型便携式布氏硬度计分别在出 现问题的外径为５４６mm、壁厚为９５mm 的钢管的 头端、中间、尾端的同一截面上,沿圆周方向３６０°在 六等分处进行表面硬度测试,同时,对该钢管的头、 尾两端按横截面４个象限沿壁厚方向从外向内每隔 １０mm 依次取８个点进行硬度测试[３],结果如表１ 和表２所示.可见钢管部分区域的表面硬度和绝大 部分的内部硬度都超过设计要求;头、尾端内部硬度 不同测试点差异不大,由此可排除钢管在回火过程 由于摆放位置不同造成的硬度差异.头端硬度分布 在１８０~２００HBW 范围内,４个象限的硬度中均有 部分 超 出 了 设 计 要 求;尾 端 硬 度 分 布 在 １８４~ ２０８HBW 范围内,其中第２,３象限有部分测试点的 硬度超过设计要求,而第１,４象限测试点的硬度全 部超过设计要求,说明钢管沿壁厚和圆周方向的硬 度均存在较明显差异.
１．２ 力学性能试验
在该钢管尾端截面的第１象限内１/４,１/２壁厚 处取样,采用 WAWＧ３００型电液伺服拉伸试验机进行力学性能测试,结果见表３,可以看出钢管的屈服 强度、抗拉 强 度 和 断 后 伸 长 率 均 符 合 GB５３１０－ ２００８e«高压锅炉用无缝钢管»标准对１２Cr１MoVG 钢的要求.
１．３ 金相检验
图１ 钢管内部不同部位的显微组织形貌 Fig敭１ Microstructuremorphologyofdifferentpartsinsteelpipe a neartheoutersurfaceofsteelpipe b neartheinnersurface ofsteelpipe c inthemiddleofsteelpipe 在钢管尾端截取金相试样,采用 DM６０００M 型 莱卡研究级全自动显微镜观察显微组织.由图１可 以看出,钢管靠近外表面和内表面组织均为９５％贝 氏体＋５％铁素体,而钢管内部中间组织为珠光体＋铁素体,这导致钢管内部不同区域的硬度存在差异, 即钢管靠近外表面和内表面的硬度比钢管内部中间 的硬度高.
２ 分析与讨论
对上述钢管所在批次的全部钢管的硬度情况进行 了统计,结果如图２所示.可以看出该批次钢管的硬 度在各区间呈正态分布,８０％以上的硬度值在设计要 求的范围内.由于１２Cr１MoVG钢是高压锅炉钢管中 对热处理工艺较敏感的钢种之一,其组织对热强性能 有很大影响,而且热处理过程中各环节相互制约[４],特 别是大口径厚壁钢管(壁厚一般不小于５０mm)热处理 时组织不均匀,导致力学性能波动较大,一旦预冷时间 控制不当,钢管表面冷却速度快形成较多贝氏体,钢管 内部冷却速度慢形成铁素体＋珠光体,就会导致钢管 各部位组织不均匀,从而导致钢管的力学性能不均匀, 部分区域硬度不符合设计要求,因此控制正火后的冷 却方式和冷却速度是关键[５].
该批次 钢 管 生 产 采 用 了 “预 冷 ＋ 水 冷 ＋ 空 冷＋回火”工 艺,正 火 温 度 为 ９８０ ℃,预 冷 时 间 为 ８min,回火温度为７２０ ℃.从以往的生产实践来 看,该工艺能满足通常的大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢管的组织和力学性能要求.但对硬度有特殊要 求的产品而言,从上述分析来看,该工艺生产的钢 管各部位的 显 微 组 织 存 在 差 异,导 致 产 品 的 硬 度 不符合设计要求.
３ 热处理工艺试验
根据上述分析对１２Cr１MoVG 钢管设计了３种 热处理工艺:
(１)采用正火后旋转内淋外喷冷却工艺,然后 通过合理的回火温度确保钢管硬度符合要求.
(２)采用正火后直接水冷工艺,然后通过提高 回火温度降低钢管硬度.
(３)采用正火后预冷工艺,通过控制正火后的 预冷时间,让钢管表面先析出部分铁素体,再采用 “水冷＋空冷”工艺,并在一定的回火温度下降低钢 管硬度.
３．１ 正火后旋转内淋外喷冷却工艺
３．１．１ 试验工艺
选 取 外 径 为 ６１０ mm、壁 厚 为 １０５ mm 的 １２Cr１MoVG钢管作为试验对象.钢管的正火工艺为: 起始温度为室温,升温３００ min达到９８０ ℃后保温 １９０min.钢管出炉后,采用旋转内淋外喷的方式使钢管 表面温度冷却至２００℃以下.取热处理后的试样分别 在７２０,７４０,７６０℃回火,回火保温时间为２h.
３．１．２ 硬度测试
分别对不同温度下回火处理后的试样从距内表 面８mm 处开始沿壁厚方向从内到外每隔１０ mm 取一个点进行硬度测试,结果如表４和图３所示. 可见随着回火温度的升高,试样的硬度逐渐降低;当 回火温度为７６０ ℃时,试样的硬度全部符合设计要 求;当回火温度为７２０,７４０℃时,有部分试样的硬度 超出了设计要求.
３．２ 正火后直接水冷工艺
３．２．１ 试验工艺
选 取 外 径 为 ３８１ mm、壁 厚 为 ７８ mm 的 １２Cr１MoVG 钢管作为进行试验对象.钢管的正火 工艺为:起始温度为室温,升温２００min达到９８０℃ 后保温１６０min.钢管出炉后,采用直接水冷工艺, 钢管内、外 表 面 的 入 水 温 度 分 别 为 ８７０~９００ ℃, ９８０ ℃.取水冷后的试样,分别在７２０,７４０,７６０ ℃回 火,回火保温时间为２h.
３．２．２ 硬度测试
分别对不同温度下回火处理后的试样从距内表 面５mm 处开始沿壁厚方向从内到外每隔１０ mm 取一个点进行硬度测试,结果如表５和图４所示,可 见随着回火温度的升高,试样的硬度逐渐降低;当回 火温度为７２０,７４０ ℃时,试样的硬度全部超出设计 要求的上限;当回火温度为７６０℃时,除了距内表面 ５,１５mm 处硬度符合设计要求外,其余部位硬度均 超过设计要求的上限.
３．３ 正火后“预冷＋水冷＋空冷”工艺
３．３．１ 试验工艺
选 取 ８ 个 批 次 中 外 径 为 ５０８ mm、壁 厚 为７０mm 的１２Cr１MoVG 钢管作为试验对象.钢管的 正火工艺为:起始温度为室温,升温 ２１０ min达到 ９８０ ℃后保温１２６ min.钢管出炉后,采用预冷工 艺,通过控制正火后的预冷时间,让钢管表面先析出 部分铁素体,再采用“水冷＋空冷”工艺,并在一定的 回火温度下降低钢管硬度.预冷时间为９ min(从 钢管出炉停止开始计时,到入水时截止的时间为预 冷时间),钢管内、外表面的入水温度分别为８５０~ ８９５ ℃,７３０~７６５ ℃.取冷却后的试样,在７３０ ℃ 下回火,回火保温时间为２h.
３．３．２ 硬度测试
分别对经上述热处理后的８个批次的试样从距内 表面 １５ mm 处 开 始 沿 壁 厚 方 向 从 内 到 外 每 隔 １０mm取一个点进行硬度测试,结果如表６和图５所 示,可见通过控制正火后的预冷时间、升温时间和保温 时间,上述试样所有测试部位的硬度均符合设计要求.
４ 试验结果分析及实施效果
４．１ 试验结果分析
文献[６]指出,随着预冷时间延长,大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢管硬度逐渐降低.从上述３种热处 理工艺试 验 结 果 可 以 看 出,提 高 回 火 温 度 可 降 低 １２Cr１MoVG 钢 管 硬 度,因 此 通 过 采 用 正 火 后 “预 冷＋水冷＋空冷”热处理工艺,调整回火温度和控制 预冷时间,可使钢管硬度满足设计要求.
４．２ 实施效果
对于采用正火后“预冷＋水冷＋空冷”热处理工 艺生产大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢管的实际情况进 行了４个月跟踪,对生产的３４５批次钢管的硬度进 行了测试和统计,结果如图６所示.统计结果显示, 热处理工艺优化后的的大口径厚壁１２Cr１MoVG 钢 管的硬度值均满足设计要求.
５ 结论
大口径厚 壁 １２Cr１MoVG 钢 制 高 压 锅 炉 管 热 处理后组织不均匀,导致其力学性能不均匀,部分 区域硬度 不 符 合 设 计 要 求.选 用 正 火 后“预 冷 ＋ 水冷＋空冷”工艺,将回火温度和预冷时间控制为 合理值(７３０ ℃,９min),可使钢管的硬度符合设计 需求.
参考文献:
[１] 宋文强,李尚林．热处理工艺对１２Cr１MoV 钢显微组 织和 力 学 性 能 的 影 响 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册), ２０１７,５３(２):９７Ｇ１００．
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[３] 谷树超,王松,李俊,等．１２Cr１MoV 钢过热器爆管的 显微 组 织 和 力 学 性 能 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册), ２０１８,５４(３):１６９Ｇ１７４．
[４] 郭赞扬,徐峰,张少波．高压锅炉管１２Cr１MoVG 热处 理工艺的改进[J]．江西冶金,２００５,２５(２):２３Ｇ２５．
[５] 郭元蓉,吴红,陈雨,等．热处理工艺对１２Cr１MoV钢显微 组织和力学性能的影响[J]．钢管,２００８,３７(５):１５Ｇ１９．
[６] 肖功业,秦 利 波,何 彪,等． 热 处 理 工 艺 对 １２Cr１MoVG厚壁无缝钢管表面硬度的影响[J]．钢 管,２０１５,４４(３):２０Ｇ２４．
浙公网安备 33042402000106号
